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Interaccion de las radiaciones con la materia
Introducción
Las fuentes de radiación natural tienen dos orígenes:
a) fuentes de origen extraterrestre (como la radiación cósmica y los nucleidos cosmogénicos)
b) fuentes de origen terrestre o nucleidos primordiales.
Dichas fuentes de radiación natural no intervienen los seres humanos y existen otras producidas de manera artificial con radiaciones ionizantes, ya sea por reacciones nucleares, rayos X o aceleradores de partículas
En estas interacciones, la radiación pierde parte o toda su energía cediéndola al medio que atraviesa mediante distintos mecanismos de interacción que dependen del tipo de radiación, de su energía y de las propiedades de la materia.
Las emisiones de estas fuentes de radiación pueden ser tanto de partículas cargadas (alfa, electrones, positrones) como de radiación electromagnética (X o gamma).
Una de las características esenciales de las radiaciones ionizantes (fotones, neutrones, partículas cargadas, etc.) es su capacidad de penetrar en la materia e interaccionar con ella.
Caracteristicas
La interacción de la radiación con la materia depende de su carga eléctrica y su masa. Por lo que es necesario distinguir entre:
Partículas sin carga y sin masa (fotones, es decir: radiación gamma y rayos X)
Partículas cargadas “ligeras” (radiación beta, es decir: electrones y positrones),
Partículas cargadas “pesadas” (radiación alfa)
Partículas con masa y sin carga (neutrones).
INTERACCIÓN DE FOTONES CON LA MATERIA
La interacción entre fotones y la materia tiene lugar a través de colisiones aisladas. Los fotones no tienen un alcance definido al atravesar la materia sino una cierta probabilidad de atenuación por unidad de longitud, u , que se denomina coeficiente de atenuación lineal, que es independiente del camino recorrido.
El número de fotones que interaccionan por unidad de tiempo con el material de una lámina de espesor dx es proporcional al número de partículas incidentes N y al espesor de dicha lámina, es decir: dN= -u
N
dx
La ecuación anterior es válida siempre que se cumpla lo siguiente:
c) El absorbente es delgado
a) La radiación incidente es monoenergética, es decir, el haz es homogéneo
b) El haz incidente es colimado, o sea que las trayectorias de los fotones son
paralelas y normales a la superficie del absorbente,
Procesos de interacción
La atenuación de la radiación electromagnética en la materia resulta compleja ya que resulta de la superposición de varios procesos independientes que se describen a continuación:
Efecto fotoeléctrico
El efecto fotoeléctrico se produce cuando interactua un fotón y un átomo
La consecuencia de una interacción fotoeléctrica es la emisión de electrones (fotoelectrones), debido a la absorción total de la energía del fotón por el electrón.
Efecto Compton
El efecto Compton tiene lugar en la interacción de un fotón y un electrón débilmente ligado al átomo que se puede considerar como libre, tomándose entonces la colisión como elástica.
Creación de pares
El efecto de creación de pares tiene lugar con fotones de alta energía, y representa un proceso de materialización de energía en el sentido de la Mecánica Relativista.
El fenómeno que tiene lugar es la desaparición del fotón en el campo del núcleo, y la creación en su lugar de un par positrón-electrón.
Curvas de atenuación
Según lo dicho hasta el momento, el coeficiente de atenuación total viene dado por la suma de todos los coeficientes de atenuación parciales debidos a efecto fotoeléctrico, Compton y creación de pares
INTERACCIÓN DE LA PARTÍCULAS CARGADAS CON LA MATERIA
Cuando una partícula cargada penetra la materia, experimenta una serie de colisiones con los átomos constituyentes. Sin embargo, dado el "vacío" relativo en el interior del átomo, las colisiones mecánicas por choque directo entre la partícula y los electrones o núcleos son muy improbables.
El proceso predominante es la interacción coulombiana, proceso de interacción debido a las fuerzas eléctricas producidas entre la partícula incidente, y los electrones y núcleos del medio absorbente. Esta interacción produce una pérdida de energía.
Mecanismos de pérdida de energía
Ionización
SI la energía transferida es superior a la del enlace del electrón colisionado, esta abandonara el átomo y se crea un ion positivo.
Disociación
Este proceso consiste en la ruptura de enlaces químicos moleculares y produce transformaciones químicas en las sustancias irradiadas.
Radiación de frenado
se compone de rayos X generados por la desaceleración de partículas cargadas en materia.
Excitación
Si la energía transferida es insuficiente para producir ionización, el electrón no será expulsado pero si puede llegar a una órbita de mayor energía
Los procesos que contribuyen a la pérdida de energía son:
Colisión elástica
En este tipo de colisiones, se conservan tanto la energía cinética como la cantidad de movimiento
Colisión inelástica.
En estas colisiones se conserva la cantidad de movimiento, pero no la energía cinética.
Colisión radiativa.
La partícula cargada se "frena" o "desvía" en su interacción con los átomos del medio y como resultado emite ondas electromagnéticas
Interacción de partículas pesadas
Cuando una partícula pesada cargada, tal como la partícula alfa, penetra en un medio material, interacciona fundamentalmente con los electrones. Debido a que la masa de estas partículas es mucho mayor que la de los electrones, su trayectoria será recta.
Además, que en todos los casos las partículas van perdiendo energía hasta que se detienen y asimismo capturaran dos electrones del entorno para formar helio.
INTERACCIÓN DE NEUTRONES CON LA MATERIA
Las interacciones de los neutrones pueden ser:
Colisiones elásticas e inelásticas
En una colisión elástica la energía cinética del sistema antes del choque es igual que después del choque.
Una colisión inelástica se caracteriza por una deformación irreparable (permanente) de los cuerpos terminando, en muchos casos, ambos cuerpos unidos después del choque.
Procesos de captura neutrónica
En los casos en los que en una colisión, penetre el neutrón en el núcleo blanco, tienen lugar reacciones nucleares de diversos tipos, como captura radiativa, emisión de partículas, o fisión.
Reacciones de fisión inducidas por captura neutrónica
Los neutrones son proyectiles capaces de inducir reacciones de fisión en una gran variedad de blancos, en especial en núcleos pesados.
La fisión es una reacción nuclear, en la que un núcleo, normalmente pesado se escinde en dos fragmentos, liberándose de 2 a 3 neutrones, y desprendiéndose una gran cantidad de energía, unos 200 MeV en cada fisión.
